車站因鄰近空軍桃園基地而有航空地域建築限制，且設站地點地勢較高，在經費允許下設計為地下車站，只有在進入高鐵站前，從高架路線轉為地下路線，其餘路線在桃園全境內皆為高架路線。由於月台與軌道皆設於地下，為了解決列車高速通過引起的活塞效應而需設置解壓井，但初通車時解壓井設計不當，列車時速被限制為120公里；直到2011年改善工程完成，列車才得以以正常的高鐵通過列車時速300公里通過。空軍桃園基地也因航空限高解編而於2013年6月拆除。

桃園機場捷運高鐵桃園站位於高鐵車站北邊高鐵北路一段上，除了經由戶外通道與高鐵車站一樓連接外，另設有專用通道和閘門與高鐵車站地下一樓連接，高鐵旅客可藉由此來往臺灣桃園國際機場及桃園市、新北市、臺北市等沿線地區。